Как работают электронные регуляторы скорости? Внутри сигнальной цепи ESC

Аккумуляторная батарея напряжением 48 В обеспечивает одно фиксированное напряжение постоянного тока. Мотору электросамоката по-прежнему приходится поддерживать примерно 3200 об/мин на ровной дороге, снижаться примерно до 280 об/мин на уклоне 12 процентов и включать задний ход по требованию. Что-то между батареей и обмотками должно определять, какой ток течет, в каком направлении и как долго.

Это устройство — электронный регулятор скорости. Он работает путем преобразования постоянного постоянного тока батареи в трехфазный выходной сигнал и переключения этого выхода тысячи раз в секунду. Среднее напряжение, которое видит двигатель, возрастает и падает в зависимости от рабочего цикла, а собственная индуктивность двигателя превращает эти быстрые импульсы в плавный ток. Крутящий момент следует за током, а скорость устанавливается там, где крутящий момент двигателя соответствует моменту нагрузки. Все остальное внутри ESC существует для того, чтобы это происходило безопасно и повторяемо.

Как постоянный ток становится трехфазным вращением

Бесщеточный двигатель не будет работать от постоянного тока, подаваемого на две клеммы. Его статор имеет трехфазные обмотки, а ротор — постоянные магниты, поэтому ток должен проходить через фазы последовательно, чтобы поле статора тянуло ротор вперед, а не удерживало его на месте.

Коммутация: опережать ротор

Коммутация – это выбор, на какую фазную пару подается напряжение. При шестиступенчатой ​​коммутации каждый электрический оборот делится на шесть состояний, и контроллер включает один переключатель верхнего плеча и один переключатель нижнего плеча на каждое состояние, создавая поле, которое перемещается вперед каждые 60 электрических градусов. Если коммутация отстает от ротора, крутящий момент падает, а ток возрастает. Если он зайдет слишком далеко, дополнительный ток превратится в тепло, а не в крутящий момент.

Сенсорная и безсенсорная обратная связь по положению

Три датчика Холла сообщают об абсолютном положении ротора, что важно для шасси робота, которое должно стартовать с места при полной нагрузке. Вместо этого схемы без датчиков считывают противо-ЭДС, индуцированную в обесточенной фазе, и оценивают положение по пересечению нуля. При этом из жгута удаляются три провода и разъем, но оценка становится ненадежной при скорости ниже примерно 5–10 процентов от номинальной. Управление, ориентированное на поле, идет еще дальше, преобразуя измеренные фазные токи во вращающуюся систему отсчета и напрямую регулируя компонент, создающий крутящий момент.

Сигнальная цепь от входа дроссельной заслонки до привода ворот

Между входом дроссельной заслонки и клеммами двигателя расположены четыре функциональных блока. Каждый из них имеет свой режим отказа и свой предел производительности системы.

Микроконтроллер и контур управления

Микроконтроллер измеряет фазный ток, напряжение на шине, положение дроссельной заслонки и положение ротора часто от 8000 до 20 000 раз в секунду в ориентированной на поле реализации. Сначала он запускает контур быстрого тока, окружает его контуром более медленной скорости или крутящего момента и преобразует результат в три значения рабочего цикла. Карта дроссельной заслонки, ограничения тока, сила рекуперативного торможения и пороги неисправности — все это находится на этом уровне.

Драйвер затвора и мост MOSFET

Драйвер затвора преобразует низковольтную логику в размах напряжения от 10 до 15 В, необходимый для силового МОП-транзистора, и предотвращает одновременное проведение обоих переключателей в одной ветви. Мертвое время, преднамеренный интервал гашения между выключением верхнего плеча и включением нижнего плеча, обычно составляет от 0,3 до 1 микросекунды. Слишком короткий и сквозной ток разрушает мост; слишком длинный и низкоскоростной крутящий момент и эффективность страдают.

Шесть МОП-транзисторов образуют трехфазный мост, где потери проводимости зависят от сопротивления открытого состояния и квадрата тока, а потери переключения зависят от частоты переключения, напряжения на шине и заряда затвора. Параллельное подключение устройств снижает сопротивление включения, но только при согласовании контуров затворов. В противном случае одно устройство пропускает больший ток, чем его соседи, и выходит из строя первым.

Измерение тока и защита

Шунтирующие резисторы или датчики Холла измеряют фазный ток, поэтому в контуре управления есть что-то реальное, что можно регулировать, и одни и те же сигналы подают на защиту от перегрузки по току, перенапряжения и перегрева. Правильно работающий контроллер постепенно снижает ток по мере повышения температуры, вместо того, чтобы отключать двигатель в середине маневра.

Рабочий цикл, ШИМ и цифры, которые имеют значение

Управление скоростью – это управление рабочим циклом. Если напряжение на шине составляет 48 В, а рабочий цикл составляет 50 процентов, двигатель потребляет в среднем 24 В. Частота переключения выбирается достаточно высокой, чтобы удерживать пульсации тока в практическом диапазоне, и достаточно низкой, чтобы потери при переключении были управляемыми. В приводе на 48 В с фазовой индуктивностью в несколько сотен микрогенри в диапазоне от 16 до 20 кГц пульсации обычно остаются на уровне около 10–20 процентов номинального тока.

Рассматривайте таблицу как набор компромиссов, а не как спецификацию. Увеличение частоты переключения уменьшает пульсации и снижает шум привода, но также увеличивает потери на переключение и нагрев. Увеличение мертвого времени защищает мост, но искажает выходное напряжение при низком рабочем цикле, что проявляется в грубом запуске и слишком низкоскоростном нагреве.

Подбор контроллера к двигателю без догадок

Самая распространенная ошибка при выборе — выбор контроллера по мощности двигателя, указанной на этикетке. Двигатели оцениваются по механической мощности; контроллеры ограничены фазным током и температурой перехода. Двигатель мощностью 1 кВт может потреблять 40 А фазного тока при напряжении 48 В во время жесткого запуска из состояния покоя, даже если его круизный ток ближе к 12 А. Размер для запуска, а не для круиза, и проверьте три числа вместе:

• Непрерывный фазный ток при ожидаемой температуре окружающей среды, а не при 25 C.
• Диапазон напряжения шины с запасом для пика рекуперативного торможения.
• Тепловой путь: площадь радиатора, воздушный поток и продолжительность поддержания пикового тока.

Опубликованные таблицы сопряжения устраняют большую часть этих догадок, поскольку в них указано, какие комбинации контроллера и двигателя уже были охарактеризованы по току, напряжению и монтажу.

Схема сопряжения контроллера APT и двигателя Рекомендации по сопряжению B2B для согласования контроллеров APT и двигателей по мощности, крутящему моменту, скорости и эффективности с учетом протоколов для электромобилей. Посмотреть продукт →

Прошивка, протоколы и настройка

Два контроллера с одинаковыми силовыми ступенями могут вести себя по-разному. Протокол ввода является первым отличием: ШИМ и аналоговые входы просты и имеют низкую задержку, UART подходит для настройки параметров и телеметрии, а шина CAN подходит для транспортных средств, где контроллер, система управления аккумулятором и блок управления транспортным средством должны обмениваться состоянием.

Второе отличие — прошивка. Кривые дроссельной заслонки, линейное изменение тока, профили рекуперативного торможения, ослабление поля для достижения максимальной скорости и поведение при восстановлении после сбоя — все это решения программного обеспечения, а роль программного обеспечения в современных контроллерах двигателей выросла и стала соответствовать самому силовому каскаду. Запросите набор параметров до того, как вы примете решение о платформе, а не после того, как первый прототип заглохнет на холме.

Тепловая реальность и пределы надежности

Номинальные значения тока в технических характеристиках обычно предполагают температуру окружающей среды 25 °C и температуру корпуса MOSFET около 80 °C. Внутри герметичного корпуса летним днем ни одно из условий не выполняется. Потери проводимости растут с повышением температуры, поскольку увеличивается сопротивление открытого состояния, что снова увеличивает потери; без снижения номинальных характеристик этот контур убегает. Практическое снижение номинальных характеристик контроллера с пассивным охлаждением часто бывает на 30–40 процентов ниже номинального тока. Конденсаторы заслуживают равного внимания, поскольку их номинальный ток пульсаций и номинальный срок службы при температуре 105 °C определяют реальный интервал обслуживания, а не номер детали MOSFET.

Для приложений, которые не терпят неприятных отключений, стабильность температуры и нагрузки имеет большее значение, чем пиковое значение на первой странице.

Контроллер бесщеточного двигателя постоянного тока APT A8 с высокой стабильностью Характерный высокостабильный контроллер бесщеточного двигателя постоянного тока с FOC, CAN, Bluetooth и пиковой мощностью 30 кВт для дронов, робототехники и легких электромобилей. Посмотреть продукт →

Что проверить перед покупкой

1. Фазный ток в наихудшем случае: пуск при полной нагрузке, максимальный класс, максимальная температура окружающей среды.
2. Окно напряжения шины, включая регенеративный всплеск, который действительно увидит ваша батарея.
3. Интерфейс управления: автомобиль уже говорит по CAN или эту работу выполнит ШИМ?
4. Тепловой расчет: площадь радиатора, путь воздушного потока и ориентация монтажа.
5. Защита и отчетность: сверхток, перенапряжение, перегрев, а также информация о том, регистрируются ли неисправности или только сигнализируются.
6. Поддержка: документация по параметрам, путь обновления прошивки, а также будет ли поставщик охарактеризовать ваш двигатель с помощью своего контроллера.

Поставщики, публикующие характерный диапазон контроллера а рекомендации по сопоставлению значительно упрощают проверку этого последнего пункта до того, как будет использована оснастка.

Контроллер бесщеточного двигателя постоянного тока APT R5 с быстрым откликом Характерный быстродействующий бесщеточный контроллер постоянного тока/PMSM с номинальной мощностью 5 кВт, пиковой мощностью 12 кВт, CAN и FOC для робототехники, автоматизации и мини-электрических автомобилей. Посмотреть продукт →

Краткая версия

• ESC преобразует постоянный ток в переключаемый трехфазный выход, а рабочий цикл устанавливает среднее напряжение и, следовательно, скорость.
• Коммутация удерживает поле статора впереди ротора; Датчики Холла обрабатывают низкую скорость, оценка противо-ЭДС обеспечивает круиз.
• Микроконтроллер, драйвер затвора, мост MOSFET и датчик тока накладывают свои ограничения на систему.
• Размер по фазному току в наихудшем случае, затем снижение номинальных значений в соответствии с температурой окружающей среды, которую действительно будет воспринимать изделие.
• Доступ к прошивке и параметрам влияет на поведение привода в гораздо большей степени, чем номера деталей коммутатора.